刘 俊，梁 霄，王淦诚，何炳恩，龚湘君

(华南理工大学材料科学与工程学院，广东广州 510640)

根据国际标准化组织(International Standardization Organization，ISO)定义，直径<100 μm的气泡称为微纳气泡[1]。微纳气泡可附着于表面或存在于溶液中。研究表明，微纳气泡是热力学不稳定体系[2-3]，一般倾向于上浮至水面破裂或溶解于水中。研究表明，直径在1 mm以上的大气泡会快速上浮并破裂，而微纳气泡的上浮则相对缓慢，且随着尺寸的继续减小，这种上浮趋势甚至会消失。譬如，水中直径为10 μm的气泡会以1 mm/s的速度上升[4]，有时伴随着在水中的溶解消失，而纳米气泡在水中做布朗运动，几乎不会上浮，其在水中甚至可稳定长达数天[5]，这不能用经典的拉普拉斯方程解释[6-7]。气泡破裂时会在其周身产生显著的水动力，破裂能随气泡尺寸的减小而增大。微米尺度的气泡在水中极少发生聚集[8]，但是，一旦受到外部能量(如超声波)的干扰，汇聚现象就会发生，并释放可观的能量，足以杀死细菌[9-10]。一般而言，微纳气泡在pH值为2～12的溶液中带负电荷，这是水分子中OH-吸附在气泡界面的结果。但是，通过添加电解质[11]或表面活性剂[12]，微纳气泡的表面电势可以由负转正。目前，研究者利用原子力显微镜发现，固体表面的纳米气泡具有超大的接触角，可降低附加压力并延长其寿命[13]。然而，溶液中微纳气泡的产生及稳定机理仍然不清楚。 因此，尽管微纳气泡已被广泛应用于矿物浮选[14]、污水处理[15]、采油[16]、土壤改良[17]等领域，但溶液中微纳气泡的基础研究并不成熟，主要原因是缺乏合适的表征方法。表征微纳气泡，尤其是溶液中微纳气泡的难点有：(1)微纳气泡特别是纳米气泡，由于本身尺度小且极易受到扰动，很难被观测；(2)难以区分尺度相近的杂质颗粒和微纳气泡；(3)微纳气泡的局部可能具有高浓度，并可发生诸如聚集、破裂等复杂、快速的动态变化。

1 微纳气泡的表征方法

相对于其他的微粒，微纳气泡具有易受扰动、形态多变、粒径分布宽、折射率比水小等物理特性。当前存在多种微纳气泡的表征方法(表1)，根据微纳气泡的物理特性，有测量微纳气泡粒径及其分布的原子力显微镜法[18]、激光动态光散射法[19]、多波长消光法[20]、二维图像法[21]，其中，原子力显微镜法、二维图像法和衍射法[22]还可以得到样品的形貌，多波长消光法可以获知样品密度；有检测高浓度微纳气泡样品密度和成分的低场核磁法[23-24]。

原子力显微镜法利用由连接精密压电陶瓷的精细探针探测pN～nN级别的原子力，并利用激光将原子力与探针的空间位置一一对应，可获得纳米尺度的三维形貌和精细的相互作用，并可得到测量对象的软硬度。但是，该方法适合观察表面附着的气泡，不能获得实时动态的数据，无法观察溶液中的气泡[18]。

激光光散射方法主要用于获知气泡的尺寸分布[19]，可分为动态光散射光强相关法、衍射法等。光强相关法的大致原理：当激光照射到远小于其波长或接近其波长的小颗粒上，光会发生瑞利散射或米氏散射。由于小颗粒的布朗运动，散射光的强度随时间波动并与颗粒在溶液中的扩散有关，通过测量散射光强的时间相关性获知颗粒的扩散特性，并对应至颗粒的流体力学尺寸[25]。衍射法收集散射颗粒不同角度的散射光，得到其空间分布。……